2. System Structure & Program Execution

in CS on OS


컴퓨터 시스템 구조

  • 1
    • mode bit : 실행중인게 운영체제인지, 유저 프로그램인지 구분
    • timer : 특정 프로그램이 CPU를 독점하지 못하게 timer 값을 설정한 다음에 CPU 할당
      • 운영체제는 CPU를 선점할 수 없음.. CPU가 자원을 할당할 때 설정하는 timer로 switching 되는 것..
    • interrupt line : 매 instruction이 끝나면 interrupt line 확인
      • interrupt가 들어오면 CPU가 운영체제로 넘어감
  • Mode bit
    • 사용자 프로그램의 잘못된 수행으로 다른 프로그램 및 운영체제에 피해가 가지 않도록 하기 위한 보호 장치
    • Mode bit을 통해 하드웨어적으로 두 가지 모드의 operation 지원
      • 0 : 모니터 모드 : OS 코드 수행 (= 커널모드, 시스템 모드)
      • 1 : 사용자 모드 : 사용자 프로그램 수행
      • 보안을 해칠 수 있는 중요한 명령어는 모니터 모드에서만 수행 가능한 특권명령으로 규정
      • Interrupt나 Exception 발생시 하드웨어가 mode bit을 0으로 바꿈
      • 사용자 프로그램에게 CPU를 넘기기 전에 mode bit을 1로 셋팅
  • Device Controller
    • I/O device controller
      • 해당 I/O 장치유형을 관리하는 일종의 작은 CPU
      • 제어 정보를 위해 control register, status register를 가짐
      • local buffer를 가짐 (일종의 data register)
    • I/O는 실제 device와 local buffer 사이에서 일어남
    • Device controller는 I/O가 끝났을 경우 interrupt로 CPU에 그 사실을 알림
    • 메모리는 CPU, DMA만 접근, 각 디바이스는 local buffer를 통해서 메모리 간접 접근
    • memory controller는 CPU, DMA의 메모리 접근을 중재
  • 입출력(I/O)의 수행
    • 모든 입출력 명령은 특권명령 (mode bit : 1)
    • 그럼 사용자 프로그램은 어떻게 I/O 수행?
      • 시스템콜(system call)
        • 사용자 프로그램은 운영체제에게 I/O 요청
      • trap을 사용하여 interrupt vector의 특정 위치로 이동
      • 제어권이 interrupt vector가 가리키는 인터럽스 서비스 루틴으로 이동
      • 올바른 I/O 요청인지 확인 후 I/O 수행
      • I/O 완료 시 제어권을 시스템콜 다음 명령으로 옮김
  • Interrupt
    • 인터럽트 당한 시점의 register와 program counter를 저장한 후 CPU 제어를 인터럽트 처리 루틴에 넘김
    • 넓은 의미로 해석하면?
      • Interrupt : 하드웨어 인터럽트
      • Trap : 소프트웨어 인터럽트
        • Exception : 프로그램이 오류를 범한 경우
        • System call : 프로그램이 커널 함수를 호출하는 경우
    • Interrupt vector?
      • 해당 인터럽트의 처리 루틴 주소를 가지고 있음
    • Interrupt service routine? (interrupt handler)
      • 해당 인터럽트를 처리하는 커널 함수
  • System call
    • 사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출하는 것
  • DMA (Direct Memory Access)
    • 빠른 입출력 장치를 메모리에 가까운 속도로 처리하기 위해 사용
    • CPU 중재 없이 device controller가 device의 buffer storage의 내용을 메모리에 block 단위로 직접 전송
    • 바이트 단위가 아니라 block 단위로 인터럽트를 발생시킴

동기식 입출력과 비동기식 입출력

  • 동기식 입출력 (Synchronous I/O)
    • I/O 요청 후 입출력 작업이 완료된 후에야 제어가 사용자 프로그램에 넘어감
    • 구현 방법1
      • I/O가 끝날 때까지 CPU를 낭비시킴 (busy waiting)
      • 매 시점 하나의 I/O만 일어날 수 있음
    • 구현 방법2
      • I/O가 완료될 때가지 해당 프로그램에게서 CPU를 뺏음
      • I/O 처리를 기다리는 줄에 그 프로그램을 줄 세움
      • 다른 프로그램에게 CPU를 줌
  • 비동기식 입출력 (Asynchronous I/O)
    • I/O가 시작된 후 입출력 작업이 끝나기를 기다리지 않고 제어가 사용자 프로그램에 즉시 넘어감
  • 1
-> 두 경우 모두 I/O의 완료는 인터럽트로 알려줌



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